CN111237092A - 一种超低浓度瓦斯气体机燃烧系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种超低浓度瓦斯气体机燃烧系统及其控制方法，包括：空气废气涡轮增压装置、超低浓度瓦斯增压进气装置、柴油共轨微喷引燃装置、柴油喷油器冷却循环装置、EMS控制单元和若干个气缸，空气废气涡轮增压装置可以提高空气进气压力和效率，超低浓度瓦斯增压进气装置可以提高瓦斯进气密度，满足不同负荷对高压燃气流量的需要，柴油共轨微喷引燃装置提高了缸内超低浓度混合气体的点火能量和稀薄燃气的燃烧效率，柴油喷油器冷却循环装置降低了高负荷下喷油器的燃烧温度，大大减少了喷油器烧死卡死的可能性。各个装置共同作用实现了以超低浓度瓦斯气体机燃烧系统的正常点火及正常燃烧，确保了气体机正常启动与运转。

Description

一种超低浓度瓦斯气体机燃烧系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种超低浓度瓦斯气体机燃烧系统及其控制方法。
背景技术
随着全世界范围内不可再生石化能源的枯竭以及人类生活环境的逐渐恶化，人们对能源高效利用、节能减排等能源综合利用更加重视。以煤矿瓦斯为燃料的气体发电机组在能源综合利用、绿色节能减排等方面作出了较大贡献，并在该领域得到了空前的发展。瓦斯气体机的燃料供给、点火及自动控制一直是该领域研究的重点核心问题。现有的煤矿瓦斯气体机大都采用增压前瓦斯和空气预混后增压的混合进气方式，其点火主要依靠火花塞或预燃室火花塞，自动化控制程度不高，且仅适用于甲烷浓度10％以上的瓦斯气体。当燃料中甲烷浓度小于10％(即超低浓度瓦斯)时，会存在如下问题：1、通常的瓦斯进入气体机时，气体压力一般为1kPa～5kPa，当甲烷浓度低于10％时气体压力较低，较小压力和较低浓度的燃气供气量无法满足气体机正常运行功率输出或负荷突变时的进气需求，也就不能保证瓦斯气体机的正常运转；2、现有的预混瓦斯气体机因存在进排气阀重叠角，部分气体从排气门中逃逸，气体机热效率降低的同时，可能产生排气管爆炸危险或逃逸的甲烷排放到大气中产生温室效应；3、现有瓦斯气体机大都采用普通的火花塞或采用预燃室火花塞，当甲烷浓度低于10％时，其混合增压后进入缸内燃烧的气体浓度更低，火花塞很难实现正常点火，促使失火时常发生，进而导致缸内无法正常燃烧。因此，现有的瓦斯气体机以超低浓度的瓦斯为燃料时转速不稳、燃烧不稳定、无法输出功率，甚者无法正常启动、正常运转，根本无法保证电站正常发电运营需要。
发明内容
为解决以上现有技术的不足，本发明提供了一种超低浓度瓦斯气体机燃烧系统及其控制方法。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种超低浓度瓦斯气体机燃烧系统，包括：空气废气涡轮增压装置、超低浓度瓦斯增压进气装置、柴油共轨微喷引燃装置、柴油喷油器冷却循环装置、EMS控制单元和若干个气缸；
空气废气涡轮增压装置包括：空气滤清器、空气废气涡轮增压器和空气中冷器，空气中冷器通过空气废气涡轮增压器与空气滤清器连接；空气废气涡轮增压装置可以提高空气进气压力和充气效率；
超低浓度瓦斯增压进气装置包括：瓦斯喷射阀、瓦斯旁通阀、瓦斯加压泵、瓦斯紧急切断阀、瓦斯阻火器、瓦斯中冷器、瓦斯调压阀、瓦斯调速器、调速节气门和瓦斯三参数传感器，超低浓瓦斯加压泵、瓦斯中冷器、瓦斯调压阀、调速节气门、瓦斯三参数传感器及瓦斯喷射阀依序连接，瓦斯喷射阀安装于气缸的瓦斯进气道上，瓦斯旁通阀与瓦斯加压泵并联，瓦斯阻火器设置于瓦斯加压泵的进气管道与出气管道上；超低浓度瓦斯增压进气装置可以提高瓦斯的进气密度，满足不同负荷对高压燃气流量的需要；
柴油共轨微喷引燃装置包括：柴油喷油器、高压共轨管、柴油旁通阀、柴油共轨泵、共轨压力传感器和柴油泄压阀，柴油共轨泵通过高压共轨管与各个柴油喷油器分别连接，柴油旁通阀与柴油共轨泵并联，共轨压力传感器和柴油泄压阀设于高压共轨管上；柴油共轨微喷引燃装置提高了缸内超低浓度混合气体的点火能量，避免了缸内失火现象的发生，提高了稀薄燃气的燃烧效率；
柴油喷油器冷却循环装置包括喷油器冷却换热器和冷却循环泵，柴油喷油器内设有冷却腔，冷却水经冷却循环泵加压后先进入冷却腔再进入喷油器冷却换热器最后再输送至冷却腔；柴油喷油器冷却循环装置降低了高负荷下喷油器的燃烧温度，大大减少了喷油器烧死卡死的可能性，提高了喷油器的喷油质量和可靠性；
EMS控制单元分别与瓦斯喷射阀、瓦斯旁通阀、瓦斯加压泵、柴油旁通阀、柴油共轨泵、瓦斯调速器、调速节气门及共轨压力传感器电性连接，EMS控制单元通过瓦斯调速器与调速节气门电性连接；EMS控制单元可以实现对燃烧系统的闭环控制，有效满足发动机不同工况及突加突卸负荷的控制要求，实现对各缸的微喷引燃点火、燃气喷射进行控制，以实现最佳的空燃比，并达到最佳的燃烧效率，避免失火、爆燃、爆震等现象发生，最终实现提高气体机运行热效率、减少污染排放、促使稳定可靠运行等目标；
超低浓度瓦斯经由超低浓度瓦斯增压进气装置增压后与经由空气废气涡轮增压装置增压的空气瞬态混合并一同流入各个气缸的燃烧室，柴油共轨微喷引燃装置将低压柴油增压后喷射至各个气缸的燃烧室并引燃点火；各个气缸燃烧后产生的废气汇集后通过废气输入管道输送给空气废气涡轮增压装置并经其增压后由排气出口排出。
优选的，还包括排气温度传感器，排气温度传感器设置于废气输入管道上。
更为优选的，还包括排气氧浓度传感器，排气氧浓度传感器设置于废气输出管道。
最为优选的，排气温度传感器、排气氧浓度传感器分别与EMS控制单元电性连接。
本发明还提出一种超低浓度瓦斯气体机燃烧系统的控制方法：
步骤一、启动前，EMS控制单元对空气废气涡轮增压装置、超低浓度瓦斯增压进气装置、柴油共轨微喷引燃装置、柴油喷油器冷却循环装置进行巡检，如巡检遇到问题则提示直到问题解决，如巡检正常则复位并启动准备状态；
步骤二、启动时，EMS控制单元根据瓦斯三参数传感器所采集到的瓦斯压力、瓦斯温度、瓦斯浓度参数，通过ECU内部计算，对柴油喷射压力、柴油喷射时刻、超低浓度瓦斯喷射压力、超低浓度瓦斯喷射量进行控制，以实现燃烧系统以适当的空燃比快速启动，ECU内部计算是通过事先设定的不同瓦斯压力、瓦斯温度、瓦斯浓度所调试的最佳计算求解公式，并保存在ECU中启动调用；
步骤三、负荷运行时，EMS控制单元实时监测气体机运行参数负荷、转速、节气门位置、柴油喷射时刻、柴油喷射量、瓦斯喷射阀时刻、排气温度、排气氧含量参数，并根据实时输入的瓦斯浓度、瓦斯温度、瓦斯压力，通过ECU内部计算，以确定并调整当前负荷状态的最佳节气门位置、柴油喷射时刻、柴油喷射量、瓦斯喷射阀时刻，以实现该负荷状况下最高效率、最低排放的最佳运行状态。
优选的，步骤三中突加或突卸负荷瞬态运行时，EMS控制单元根据气体机功率、转速变化，迅速依据当前输入气体机的瓦斯浓度、瓦斯温度、瓦斯压力参数，通过ECU内部计算，瞬态判断调整当前负荷状态的最佳节气门位置、柴油喷射时刻、柴油喷射量、瓦斯喷射阀时参数，以保证突加或突卸负荷瞬态发动机各参数在正常范围内运行的要求。
进一步优选的，步骤三负荷运行时，EMS控制单元还采集废气的排气温度参数。
更为优选的，步骤三负荷运行时，EMS控制单元还采集废气的排气氧浓度参数。
最为优选的，EMS控制单元所采集的瓦斯压力、瓦斯温度、瓦斯浓度、共轨压力、排气温度、排气氧浓度参数瞬态显示于监控界面并保存。
与现有技术相比，本发明采用高效空气废气涡轮增压装置提高了空气进气压力和充气效率；采用超低浓度瓦斯增压进气装置提高了燃气进气压力、密度，确保了气体机不同工况对燃气流量的需求；采用柴油共轨微喷引燃装置提高了缸内超低浓度混合气体点火能量，避免了缸内失火现象的发生，提高了气体机高效稀薄燃烧效率；采用柴油喷油器冷却循环装置降低高负荷下喷油器的燃烧温度，大大减少喷油器烧死卡死的可能性，提高喷油器的喷油质量和可靠性。各个装置共同作用实现了以超低浓度瓦斯气体机燃烧系统的正常点火及正常燃烧，确保了气体机的正常启动与运转，继而满足电站正常发电的运营要求。本发明的燃烧热效率高、污染排放少。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图。
图中：1、气缸盖；2、进气门；3、排气门；4、柴油喷油器；5、高压共轨管；6、瓦斯喷射阀；7、喷油器冷却换热器；8、冷却循环泵；9、排气温度传感器；10、废气涡轮增压器；11、排气氧浓度传感器；12、空气中冷器；13、空气滤清器；14、瓦斯旁通阀；15、瓦斯加压泵；16、瓦斯紧急切断阀；17、瓦斯阻火器；18、柴油旁通阀；19、柴油共轨泵；20、瓦斯中冷器；21、瓦斯调压阀；22、瓦斯调速器；23、调速节气门；24、瓦斯三参数传感器；25、EMS控制单元；26、共轨压力传感器；27、柴油泄压阀；28、排气出口；29、空气入口；30、瓦斯入口；31、柴油入口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示：一种超低浓度瓦斯气体机燃烧系统，包括：空气废气涡轮增压装置、超低浓度瓦斯增压进气装置、柴油共轨微喷引燃装置、柴油喷油器冷却循环装置、EMS控制单元25和若干个气缸，各个气缸上设有气缸盖1，气缸盖1上设有进气门2和排气门3；
空气废气涡轮增压装置包括：空气滤清器13、空气废气涡轮增压器10和空气中冷器12，空气中冷器12通过空气废气涡轮增压器10与空气滤清器13连接，空气废气涡轮增压器10上设有空气进气管、空气出气管、废气输入管和废气输出管，空气进气管上设有空气入口29，废气输出管上设有排气出口28；空气自空气入口29进入，经由空气滤清器13过滤清洁后依序进入空气废气涡轮增压器10和空气中冷器12进行增压和冷却，接着进入各个气缸；各个气缸燃烧产生的废气汇集后先经由废气输入管进入空气废气涡轮增压器10增压、再通过废气输出管上的排气出口28排出；
超低浓度瓦斯增压进气装置包括：瓦斯喷射阀6、瓦斯旁通阀14、瓦斯加压泵15、瓦斯紧急切断阀16、瓦斯阻火器17、瓦斯中冷器20、瓦斯调压阀21、瓦斯调速器22、调速节气门23和瓦斯三参数传感器24，超低浓瓦斯加压泵15、瓦斯中冷器20、瓦斯调压阀21、调速节气门23、瓦斯三参数传感器24及瓦斯喷射阀6依序连接，瓦斯喷射阀6安装于气缸的瓦斯进气道上，瓦斯旁通阀14与瓦斯加压泵15并联，瓦斯阻火器17设置于瓦斯加压泵15的进气管道与出气管道上，超低浓度瓦斯自瓦斯入口30进入瓦斯加压泵15进行增压，之后经由瓦斯中冷器20冷却后通过瓦斯喷射阀6进入各个气缸；瓦斯喷射阀6可以降低瓦斯残留于瓦斯进气道的风险，避免瓦斯进气道内发生回火爆炸；瓦斯旁通阀14用于控制瓦斯压力，当瓦斯压力超过设定值时，瓦斯气体经由瓦斯旁通阀14返回瓦斯加压泵15的进气口，以降低瓦斯压力、保证瓦斯加压输送的安全性；瓦斯阻火器17用于阻止熄灭瓦斯加压输送过程中可能产生的火焰爆炸，保证瓦斯加压输送的安全性；
柴油共轨微喷引燃装置包括：柴油喷油器4、高压共轨管5、柴油旁通阀18、柴油共轨泵19、共轨压力传感器26和柴油泄压阀27，柴油共轨泵19通过高压共轨管5与各个柴油喷油器4分别连接，柴油旁通阀18与柴油共轨泵19并联，共轨压力传感器26和柴油泄压阀27设于高压共轨管5上；低压柴油自柴油入口31进入柴油共轨泵19形成高压柴油，之后进入高压共轨管5输送至各缸的柴油喷油器4并由其喷射到各缸实现压燃和对缸内主燃烧室内稀薄混合气体的引燃点火；
柴油喷油器冷却循环装置包括喷油器冷却换热器7和冷却循环泵8，柴油喷油器4内设有冷却腔，冷却水经冷却循环泵8加压后流入该冷却腔，带走热量后再与喷油器冷却换热器7进行换热以实现柴油喷油器4的冷却，进而避免柴油喷油器4微量喷射高温烧死无法喷油点火，提高喷油器的可靠性；
EMS控制单元25分别与瓦斯喷射阀6、瓦斯旁通阀14、瓦斯加压泵15、柴油旁通阀18、柴油共轨泵19、瓦斯调速器22、调速节气门23及共轨压力传感器26电性连接，EMS控制单元25通过瓦斯调速器22与调速节气门23电性连接；
超低浓度瓦斯经由超低浓度瓦斯增压进气装置增压后与经由空气废气涡轮增压装置增压的空气瞬态混合并一同流入各个气缸的燃烧室，柴油共轨微喷引燃装置将低压柴油增压后喷射至各个气缸的燃烧室并引燃点火；各个气缸燃烧后产生的废气汇集后通过废气输入管道输送给空气废气涡轮增压装置并经其增压后由排气出口28排出。
启动前，EMS控制单元25对空气废气涡轮增压装置、超低浓度瓦斯增压进气装置、柴油共轨微喷引燃装置、柴油喷油器冷却循环装置进行巡检，如巡检遇到问题则提示直到问题解决，如巡检正常则复位并启动准备状态；启动时，EMS控制单元25根据瓦斯三参数传感器24所采集到的瓦斯压力、瓦斯温度、瓦斯浓度参数，通过ECU内部计算，对柴油喷射压力、柴油喷射时刻、超低浓度瓦斯喷射压力、超低浓度瓦斯喷射量进行控制，以实现燃烧系统以适当的空燃比快速启动，ECU内部计算是通过事先设定的不同瓦斯压力、瓦斯温度、瓦斯浓度所调试的最佳计算求解公式，并保存在ECU中启动调用；负荷运行时，EMS控制单元25实时监测气体机运行参数负荷、转速、节气门位置、柴油喷射时刻、柴油喷射量、瓦斯喷射阀时刻、排气温度、排气氧含量参数，并根据实时输入的瓦斯浓度、瓦斯温度、瓦斯压力，通过ECU内部计算，以确定并调整当前负荷状态的最佳节气门位置、柴油喷射时刻、柴油喷射量、瓦斯喷射阀时刻，以实现该负荷状况下最高效率、最低排放的最佳运行状态；中突加或突卸负荷瞬态运行时，EMS控制单元25根据气体机功率、转速变化，迅速依据当前输入气体机的瓦斯浓度、瓦斯温度、瓦斯压力参数，通过ECU内部计算，瞬态判断调整当前负荷状态的最佳节气门位置、柴油喷射时刻、柴油喷射量、瓦斯喷射阀时参数，以保证突加或突卸负荷瞬态发动机各参数在正常范围内运行的要求。
作为一种优选的技术方案，本发明的再一实施例，还包括排气温度传感器9和排气氧浓度传感器11，排气温度传感器9设置于废气输入管道上，排气氧浓度传感器11设置于废气输出管道，排气温度传感器9、排气氧浓度传感器11分别与EMS控制单元25电性连接。EMS控制单元25根据排气温度传感器9和排气氧浓度传感器11所采集的废气的温度及其中的氧气浓度参数，实时对瓦斯喷射时刻、瓦斯喷射量、柴油喷射时刻、柴油喷射量进一步微调整，使燃烧系统始终运行在高效稀薄燃烧范围内，且不发生失火或爆震现象，实现燃烧系统的高效运行。同时，EMS控制单元25所采集的瓦斯压力、瓦斯温度、瓦斯浓度、共轨压力、排气温度、排气氧浓度参数瞬态显示于监控界面并保存。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明未详细叙述的部件结构或连接方式均为现有技术。

Claims (9)

1.一种超低浓度瓦斯气体机燃烧系统，其特征在于：包括：空气废气涡轮增压装置、超低浓度瓦斯增压进气装置、柴油共轨微喷引燃装置、柴油喷油器冷却循环装置、EMS控制单元(25)和若干个气缸；
所述空气废气涡轮增压装置包括：空气滤清器(13)、空气废气涡轮增压器(10)和空气中冷器(12)，空气中冷器(12)通过空气废气涡轮增压器(10)与空气滤清器(13)连接；
所述超低浓度瓦斯增压进气装置包括：瓦斯喷射阀(6)、瓦斯旁通阀(14)、瓦斯加压泵(15)、瓦斯紧急切断阀(16)、瓦斯阻火器(17)、瓦斯中冷器(20)、瓦斯调压阀(21)、瓦斯调速器(22)、调速节气门(23)和用于采集瓦斯压力、温度、浓度的瓦斯三参数传感器(24)，超低浓瓦斯加压泵(15)、瓦斯中冷器(20)、瓦斯调压阀(21)、调速节气门(23)、瓦斯三参数传感器(24)及瓦斯喷射阀(6)依序连接，瓦斯喷射阀(6)安装于所述气缸的瓦斯进气道上，瓦斯旁通阀(14)与瓦斯加压泵(15)并联，瓦斯阻火器(17)设置于瓦斯加压泵(15)的进气管道与出气管道上；
所述柴油共轨微喷引燃装置包括：柴油喷油器(4)、高压共轨管(5)、柴油旁通阀(18)、柴油共轨泵(19)、共轨压力传感器(26)和柴油泄压阀(27)，柴油共轨泵(19)通过高压共轨管(5)与各个柴油喷油器(4)分别连接，柴油旁通阀(18)与柴油共轨泵(19)并联，共轨压力传感器(26)和柴油泄压阀(27)设于高压共轨管(5)上；
所述柴油喷油器冷却循环装置包括喷油器冷却换热器(7)和冷却循环泵(8)，柴油喷油器(4)内设有冷却腔，冷却水经冷却循环泵(8)加压后先进入所述冷却腔再进入喷油器冷却换热器(7)最后再输送至所述冷却腔；
EMS控制单元(25)分别与瓦斯喷射阀(6)、瓦斯旁通阀(14)、瓦斯加压泵(15)、柴油旁通阀(18)、柴油共轨泵(19)、瓦斯调速器(22)、调速节气门(23)及共轨压力传感器(26)电性连接，EMS控制单元(25)通过瓦斯调速器(22)与调速节气门(23)电性连接；
所述超低浓度瓦斯经由所述超低浓度瓦斯增压进气装置增压后与经由所述空气废气涡轮增压装置增压的空气瞬态混合并一同流入各个所述气缸的燃烧室，所述柴油共轨微喷引燃装置将低压柴油增压后喷射至各个所述气缸的燃烧室并引燃点火；各个所述气缸燃烧后产生的废气汇集后通过废气输入管道输送给所述空气废气涡轮增压装置并经其增压后由排气出口(28)排出。
2.根据权利要求1所述的超低浓度瓦斯气体机燃烧系统，其特征在于：还包括排气温度传感器(9)，排气温度传感器(9)设置于所述废气输入管道上。
3.根据权利要求2所述的超低浓度瓦斯气体机燃烧系统，其特征在于：还包括排气氧浓度传感器(11)，排气氧浓度传感器(11)设置于所述废气输出管道。
4.根据权利要求3所述的超低浓度瓦斯气体机燃烧系统，其特征在于：排气温度传感器(9)、排气氧浓度传感器(11)分别与EMS控制单元(25)电性连接。
5.一种如权利要求1所述的超低浓度瓦斯气体机燃烧系统的控制方法，其特征在于：
步骤一、启动前，EMS控制单元(25)对所述空气废气涡轮增压装置、所述超低浓度瓦斯增压进气装置、所述柴油共轨微喷引燃装置、所述柴油喷油器冷却循环装置进行巡检，如巡检遇到问题则提示直到问题解决，如巡检正常则复位并启动准备状态；
步骤二、启动时，EMS控制单元(25)根据瓦斯三参数传感器(24)所采集到的瓦斯压力、瓦斯温度、瓦斯浓度参数，通过ECU内部计算，对柴油喷射压力、柴油喷射时刻、超低浓度瓦斯喷射压力、超低浓度瓦斯喷射量进行控制，以实现燃烧系统以适当的空燃比快速启动，所述ECU内部计算是通过事先设定的不同瓦斯压力、瓦斯温度、瓦斯浓度所调试的最佳计算求解公式，并保存在ECU中启动调用；
步骤三、负荷运行时，EMS控制单元(25)实时监测气体机运行参数负荷、转速、节气门位置、柴油喷射时刻、柴油喷射量、瓦斯喷射阀时刻、排气温度、排气氧含量参数，并根据实时输入的瓦斯浓度、瓦斯温度、瓦斯压力，通过所述ECU内部计算，以确定并调整当前负荷状态的最佳节气门位置、柴油喷射时刻、柴油喷射量、瓦斯喷射阀时刻，以实现该负荷状况下最高效率、最低排放的最佳运行状态。
6.根据权利要求5所述的超低浓度瓦斯气体机燃烧系统的控制方法，其特征在于：所述步骤三中突加或突卸负荷瞬态运行时，EMS控制单元(25)根据气体机功率、转速变化，迅速依据当前输入气体机的瓦斯浓度、瓦斯温度、瓦斯压力参数，通过所述ECU内部计算，瞬态判断调整当前负荷状态的最佳节气门位置、柴油喷射时刻、柴油喷射量、瓦斯喷射阀时参数，以保证突加或突卸负荷瞬态发动机各参数在正常范围内运行的要求。
7.根据权利要求6所述的超低浓度瓦斯气体机燃烧系统的控制方法，其特征在于：所述步骤三负荷运行时，EMS控制单元还采集废气的排气温度参数。
8.根据权利要求7所述的超低浓度瓦斯气体机燃烧系统的控制方法，其特征在于：所述步骤三负荷运行时，EMS控制单元还采集废气的排气氧浓度参数。
9.根据权利要求8所述的超低浓度瓦斯气体机燃烧系统的控制方法，其特征在于：EMS控制单元(25)所采集的瓦斯压力、瓦斯温度、瓦斯浓度、共轨压力、排气温度、排气氧浓度参数瞬态显示于监控界面并保存。
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